土压平衡盾构机刀盘装配难点解析

莫 森

(太原重工股份有限公司，山西030024)

我公司为太原地铁2号线生产了规格为∅6410 mm的土压平衡盾构机，土压平衡盾构属封闭式盾构，盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱，当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。根据不同地区的地质情况，需要设计不同形状、不同开口度的刀盘，刀盘作为盾构机的核心部件，装配精度直接影响其磨损情况及使用寿命[1]。

本文通过引入专用工装等措施，有效地保证了刀盘装配精度。

1 土压平衡盾构机刀盘组成及工作原理

1.1 刀盘主要功能

刀盘具有开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱。

稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能。

搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。

1.2 刀盘刀具工作原理

对于不同地层的开挖，采用不同型式的盾构刀具[2]：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)。太原地铁项目主要采用切刀与刮刀组合的方式对地层进行开挖，刀盘上面布置有各种方向角度切刀78把、贝壳刀48把、鱼尾中心刀1把、横向保径刀6把，刀具布置见图1。其按照坐标位置与平面度及刀具间的相对位置关系直接影响刀具的使用寿命，因此保证所有刀具能达到图纸装配精度要求是刀盘装配的难点。

图1 刀具布置图Figure 1 Cutter arrangement

1.3 刀盘管路及其余附件

1.3.1 刀盘管路

刀盘基体辐条垂直表面设置有4路泡沫/膨润土喷口，刀盘中间设置有1路泡沫/膨润土喷口，在刀盘90°方向设置有1路磨损检测器管路，在0°与180°方向设置有4路超挖刀管路。在刀盘开挖地层时，为了防止管路损坏，所有管路全部要求暗装在刀盘基体的辐条内部，要求在装配时必须将部分管路在焊接刀盘基体时进行预装。由于后期管路布置时，需紧贴基体并有多处折弯，在管路布置与其余附件装配时，必须提前规划，管路与其余附件交叉进行才能完成最终装配。

1.3.2 刀盘其余附件

刀盘大法兰处装有回转接头[3]，此回转接头主要用于泡沫、膨润土、压力油的分配；在0°、180°处各布置1把超挖刀，其主要作用是当遇到特殊地层时，需对局部进行扩大开挖直径时，超挖刀在油缸作用下沿径向伸出对超挖部分进行切削；在90°方向布置有磨损检测器，此磨损检测器仿照刀具的形式焊接在辐条上，其内部通压力油，当刀具磨损到要求值时，磨损检测器与其刀具磨损程度同步并泄压，反馈给操作人员，提醒进行刀具更换。

2 刀盘装配难点及攻关

2.1 刀盘刀具装配

2.1.1 刀盘刀具装配难点分析

刀盘上共有各种刀具133把，所有刀具或刀具座全部焊接在∅6410 mm刀盘的毛坯管面上，装配高度方向误差和半径方向误差要求控制在±3 mm以内，最外侧成型刀半径误差控制在0～3 mm以内。如果安装无法满足图纸要求，可能会造成刀具磨损不均匀，在开挖地层时导致部分刀具严重磨损，需提前更换，影响工程进度。装配的难点在于133把刀具要求安装在刀盘辐条及面板部位，且要求平面度、位置度一致，由于刀盘表面为非加工表面，找不到合适的测量基准，如果按照传统打水平及拉尺寸的方法进行装配，劳动强度大，周期长，且很难保证装配精度。

2.1.2 刀盘刀具装配方案

结合现有的测量技术手段，为满足装配效率及装配精度必须设计专门工装。刀具要准确定位在刀盘指定位置处，必须满足3个方向的尺寸要求，即高度方向要求、径向尺寸要求、角度方向要求。现角度方向已经由辐条的位置决定，只需控制刀具的高度位置及径向坐标即可，以刀盘的加工表面作为基准，并要求工艺在增加辅助基准的前提下提出专用工装，如图2所示。

该工装包括旋转及上下垂直运动两个方向的自由度，伸缩拉杆用于调整标尺与回转中心的垂直度；调整顶丝用于调整回转中心与刀盘表面的垂直度；升降杆用于调整不同高差下刀具的水平定位。

该工装应严格按照以下步骤进行调整与刀盘的相对位置精度：

(1)标尺回转一周，测量标尺同一点处与基准面2的距离，通过调整顶丝来达到任意位置处此距离相等，从而保证标尺回转中心与刀盘顶面垂直。

(2)工装旋转一周测量多处标尺L型位置立面与基准面1的距离，移动该工装回转底座在刀盘顶面的位置，保证该工装回转中心与刀盘中心重合。

(3)测量标尺底部最大位置处与基准面2及基准面3的高差距离，通过调整伸缩拉杆来达到此高差距离为855 mm，从而保证标尺与刀盘顶面平行。专用工装在刀盘上的安装位置如图3所示。

1—伸缩拉杆 2—标尺 3—回转中心座 4—升降杆 5—配重 6—调整顶丝图2 刀具焊接专用工装Figure 2 Special tool of cutter welding1—标尺 2—刀盘 3—升降杆 4—调整顶丝 5—配重

1—标尺 2—刀盘 3—升降杆 4—调整顶丝 5—配重图3 专用工装安装位置图Figure 3 Mounted location of special tool

该工装调整完成后，将刀座或刀具的测量点通过标尺定位到刀盘的坐标位置处，标尺既可以作为刀具水平的基准，也可作为其径向的测量工具，实现了所有刀具的精确定位。此工装的成功应用解决了刀具定位的难点，并提高了生产效率，降低了劳动强度，为盾构机刀盘的制作积累了经验。

2.2 刀盘焊接管路组的安装

2.2.1 刀盘焊接管路组的特点

刀盘焊接管路组中，在刀盘基体辐条垂直表面设置有4路泡沫/膨润土喷口，刀盘中间设置有1路泡沫/膨润土喷口，在刀盘90°方向设置有1路磨损检测器管路，在0°与180°方向设置有4路超挖刀液压管路，管路数量较多，均为隐蔽安装，且安装管路中由软管与硬管交叉排布，如不设置好管路与刀盘基体的安装顺序，会导致管路满焊后无法回装到刀盘基体，或者无法实施管路对接处的焊接。刀盘管路位置如图4所示。

图4 刀盘管路安装位置图Figure 4 Mounted location of cutter tube

2.2.2 刀盘管路附件的安装

结合刀盘基体的结构特点，按照以下顺序管理附件，进行装配：

(1)将小法兰吊装到与刀盘基体对应位置处，辅助定位泡沫管路(注意其方向要正确)。

(2)预制支腿内部泡沫管路，包括中心盖板及小法兰上的泡沫管路。

(3)将小法兰吊离刀盘基体，取出预制的泡沫管路进行满焊。

(4)管路满焊完成后，置于对应位置，再次将小法兰吊装到与刀盘基体辅助定位管路，定位完成后，将泡沫管路接头处进行焊接。

(5)对所有管路按图进行压力试验，保证规定时间内不泄露。

(6)再次将小法兰吊离刀盘基体，将中心背板吊装到与刀盘基体对应位置处，进行满焊。

(7)最后再将小法兰吊装到刀盘基体上，翻身一次进行满焊，焊接完成后，对焊接部位进行检测。按照此装配顺序方可将所有管路及刀盘基体其余部件安装到位，且能保证装配精度[4]。

3 总结

作为盾构机核心的部件，根据不同地质形式对刀盘结构形式有不同的要求，安装方法也不尽相同，但以上工装及管路附件对于大多数的土压平衡盾构机都适用，只需在标尺及底座上做相应调整即可。目前我公司生产的10台同规格土压平衡式盾构机已服务施工现场，经现场使用符合各项性能要求，也证明了上述刀盘装配方法切实可行。